《電力拖動自動控制系統》課程思政的教學設計

郭志堅，張岳賢

（山西工程技術學院電氣與控制工程系，山西 陽泉 045000）

2020年6月，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，針對公共基礎課、專業課、實踐課的特點和育人要求，明確了課程思政建設的重點。對于應用型本科院校，全面推進專業課程思政建設，就是要堅持以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，緊緊圍繞“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”的根本問題，深入挖掘專業課程相關的家國情懷、文化素養、法制意識等思政元素，實現專業教育與思想教育同向同行，有機統一。

《電力拖動自動控制系統》是電氣工程及其自動化專業的專業課程之一，通過控制電動機電壓、電流、頻率等輸入量，來改變工作機械的轉矩、速度、位移等機械量，使各種機械按人們期望的要求運行，以滿足生產工藝及其他應用的需要。課程具有鮮明的科學性、邏輯性、先進性、工程性，適合把社會主義核心價值觀、節能環保意識和科技創新意識等融入課程講授的過程中，培養學生正確的世界觀、人生觀、價值觀和專業榮譽感與職業使命感。

1 教學目標

1.1 知識傳授目標

（1）掌握各種直流調速系統的基本組成、工作原理、靜態、動態分析以及工程設計方法。

（2）了解交流調速的基本類型、當前的新技術及發展趨勢。

（3）掌握變頻交流調速系統的基本組成、工作原理、機械特性。

1.2 能力培養目標

（1）能夠應用所學知識設計調速系統

（2）能借助仿真軟件驗證所設計方法的可行性，并能夠調節參數，改善系統的靜態和動態性能。

1.3 思政育人目標

（1）結合國家調速系統的發展，使學生能夠掌握專業理論知識，而且還可以弘揚傳統文化，增強文化自信。

（2）結合調速系統節能和諧波污染等專業知識，要求學生遵紀守法，愛崗敬業，誠信友善。

2 教學策略

面向課程思政教學目標，重構教學內容。采用先關案例驅動的探究式教學模式，促使學生自主思考，自發感悟，解決常規課程思政教育“單向灌溉”的問題。使得精心設置的思政教育元素與專業知識點渾然一體，解決“油水分離”的問題。

3 教學案例思政融入點（表1）

表1

4 課程思政教學實施過程設計

4.1 教學主題導入

觀看視頻：城市軌道交通探索者李國慶：創新突破地鐵通風空調技術，三獲國家大獎。

設計意圖：引導學生理解交流變頻調速系統的應用前景，激發學生的興趣，增強學生的環保意識，以及培養學生善于思考和勇于探索的創新精神。

調速系統的發展趨勢？隨著變頻器、控制方法、以及微處理器的不斷發展，交流調速已經逐漸代替直流調速拖動控制系統；過去風機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業電力拖動總容量的一半以上，其中較多場合電動機始終運行在自然特性上，電能白白浪費在擋板和閥門上，若把這些能量節省下來，平均每臺風機、水泵可以節約20%～30%以上的電能，效果可觀。

設計意圖：啟發學生了解調速系統的發展趨勢，并結合李國慶的事例中風機變頻調速技術，培養學生的節能環保意識。

4.2 教學過程開展設計

以“交流調速系統的應用和方法”的教學內容為例，開展教學設計。

4.2.1 交流拖動控制系統的應用領域

（1）一般性能調速和節能調速(綠水青山就是金山銀山)。由于風機和水泵對系統的靜態和動態性能要求不是很高，僅一般的調速性能指標即可滿足系統要求。隨著變頻器的出現，能夠把過去消耗在擋板和閥門的電能節省下來，且節能效果明顯，節約資源、保護環境已是全人類最關注的問題之一。

（2）高性能的交流調速系統和伺服系統（民族自豪感、愛國精神）。由于交流電動機的電磁轉矩Te與磁通φ和定子電流都有緊密的關系，不便于像直流電動機那樣易于控制，但隨著變頻器（矢量控制和直接轉矩控制）的發展，交流調速系統能夠達到和直流調速系統相媲美的地步，逐漸應用于高性能的交流調速系統和交流伺服系統。

前幾年，國內機器人產業的伺服電機驅動器、諧波減速器和控制系統都需要進口。截至2019年，綠的諧波公司已經自主研發了20多種系列，規格達到上千種的諧波減速器產品，且大量被航空、醫療、工業制造等20幾個領域所采用。其中該類產品60%被應用于國內市場，其它遠銷海外。增強學生的民族自豪感、激發其愛國主義精神。

（3）特大容量、極高轉速交流調速（不斷進取，勇于開拓）。直流電動機的換向能力限制了它的容量轉速積不超過106kW·y/min，而交流電動機不需要換向器，廣泛應用于各種特大容量和極高轉速的電氣設備，比如，礦井卷揚機、厚板軋機，高速磨頭、離心機等。2021年，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司，數十年磨一劍，專心做好離心機，歷時3年，自主研發的太空離心機，應用于中國空間站“天和”核心艙；目前，該產品年產量超過8萬臺，遠銷100多個國家。啟發學生對新事物的思考和探究，鼓勵他們多動腦、勇于探索，要有擔當意識。

4.2.2 異步電動機的調速方法

按照交流異步電動機原理，從定子傳輸到轉子的電磁功率Pm分成2部分：一部分Pmech=(1-s)Pm是拖動負載的有效功率，稱作機械功率,另一部分Ps=sPm是傳輸給轉子電路的轉差功率，與轉差率s成正,從能量轉換的角度看，轉差功率是否增大，能量是否被消耗掉還是得到利用，是評價調速系統效率高低的標志,從這點出發，可以把異步電動機的調速系統分為3類：

（1）轉差功率消耗型調速系統。當拖動恒轉矩負載時，這類系統通過增加轉差功率Ps的消耗來降低轉速n，導致工作效率隨著轉速降低而變差；但是，由于成本較低、結構簡單，還具備一定的市場競爭力。如定子降電壓調速和繞線轉子電動機轉子串電阻調速均屬于這一類。

（2）轉差功率饋送型調速系統。在這類系統中，只有少量的轉差功率Ps被消耗，大量Ps被電力電子變換器回饋到電網或者轉換成機械能被利用，當電動機轉速n越低時，Ps回饋到電網的功率會越多，比如，繞線式交流異步電動機的串級調速。如果這部分轉差功率Ps是從轉子側輸入的，可使轉速高于同步轉速，功率既可以從轉子饋入又可以饋出稱作雙饋調速系統，這類系統的運行效率是比較高的，但需要額外裝設變流裝置。

（3）轉差功率不變型調速系統。當交流異步電動機處于運行狀態時，必然會產生轉子銅損Pcu2，如果采用變壓變頻控制，Pcu2與轉速大小無關，基本維持不變，不會產生額外的損耗,所以運行效率是最高的，目前，在實際應用廣泛采用此類調速系統。

設計意圖：通過對比異步電動機的3種調速方法，告訴學生們，任何調速方案都有利弊，在實際應用中，我們需要全方面分析，發現問題，解決問題，尋找最優的調速方案。

4.3 教學內容拓展

和同學一起討論變頻調速系統的應用領域、高性能變頻器的應用，課后請學生查閱資料，拓展高性能變頻器的關鍵技術。

設計意圖：“創新是引領世界發展的重要動力。要堅持創新驅動大方向，點燃數字經濟新引擎，讓數字技術的成果惠及更多亞太地區人民”。鼓勵學生努力探索新知識，提醒學生利用這美好時光努力探索，爭取成為具有創新性和國際競爭力的數字化人才。

5 課程思政教學實施成效與反思

5.1 課程思政教學實施成效

本課程自電氣工程及其自動化專業開設以來，上課的學生已有近百人，對學生的成長起到了重要作用。

（1）價值塑造成效。本門課課程思政教學實施的總體設計中，充分利用各部分教學內容的特點，密切結合相關的時事新聞，科技創新案例，幫助學生樹立正確的價值觀，增強學生的民族自豪感、激發其愛國主義精神，培養學生的環保意識和創新意識。

正是基于立德樹人為宗旨，培養學生的愛國主義情懷的課程思政目標，使自己在價值塑造方面也小有所獲，期間本人多次榮獲校級優秀黨員、第七屆全國應用型人才綜合技能賽人工智能創新創業大賽優秀指導教師等榮譽；絕大多數學生積極提交入黨申請書，積極參與教師的教改和科研課題；近幾年，本專業畢業生的就業率和升學率達到了90%以上。

（2）知識傳授成效。緊緊圍繞該課程的教學目標，在各部分教學重點和難點方面挖掘課程思政切入點，實現知識傳授目標和能力培養目標，并以分組討論和撰寫小論文等形式，督促學生時刻關注學科前沿發展動態，分析實際工程中存在的問題。近兩年，所指導學生在全國應用型人才綜合技能賽人工智能創新創業大賽中，榮獲2等獎。

（3）能力培養成效。著重培養學生發現問題，解決問題的能力，借助MATLAB仿真軟件，設計調速系統的控制方法，并能夠調整控制器的參數，得到系統最優的靜態和動態性能。近2年，學生在全國大學生電子設計大賽中，多次榮獲省級2等獎和3等獎。

以“電力拖動自動控制系統”為例開展的課程思政教學設計和實施，不僅活躍了課堂氣氛，提高了學生專業知識的學習效果，而且師生產生了共鳴，激發了愛國主義情懷。

5.2 課程思政教學實施反思

（1）價值塑造反思。本案例以交流調速系統的應用和方法為主線，通過科技創新實例，感悟引申，將思政元素融入課堂，喚起學生報效祖國的責任感和擔當精神，激發學生的愛國主義情懷，培養學生勇于開拓進取、創新意識和環保意識，潛移默化地幫助樹立正確的價值觀。

（2）知識傳授反思。教學方法上，采用引導式、啟發式，以學生為中心，通過多種科技創新實例，促進學生主動思考，積極參與教學的整個過程，從而激發學生的學習興趣；使得學生對交流調速系統的應用領域和調速方法有更加深刻的理解，同時結合學科應用前景，為學生今后的學習指明方向。多數學生反饋，本課程綜合性較強，需要同時掌握《電力電子技術》《自動控制原理》《電機拖動基礎》等專業課程的相關知識，但可以對前期學過的專業課程進行有效地梳理，為以后的畢業設計打下堅實的基礎。

（3）能力培養反思。通過交流調速系統不同領域的應用前景，提高學生解決實際問題的抽象思維能力和工程實踐能力，達到學生綜合能力提升的目標。作為工科專業來說，學生動手實操能力較為重要，教學過程中，以解決實際問題為導向，借助仿真實驗，培養學生適應時代發展的新工科人才。

6 結語

“電力拖動自動控制系統”課程是一門實踐性和理論性強、學習難度較大的多門專業基礎相互交叉的綜合性專業課程，深入挖掘相關的思政元素是一項需要投入時間和長期堅持的任務，不僅可以解決傳統知識傳授模式枯燥的問題，還能幫助學生樹立社會主義核心價值觀，實現“三全育人”的目標。